데이터 인코딩 기법

• 개요
  • 데이터는 오디오 또는 비디오 데이터 같은 아날로그 데이터와 컴퓨터 2진 데이터 같은 디지털 데이터로 구분
  • 데이터 인코딩 기법이란, 아날로그 또는 디지털 데이터를 전송선로를 통해 전송하기 위해 선로 특성을 감안하여 적합한 신호로 부호화 하는 것을 의미
  • 신호는 디지털 신호 및 아날로그 신호도 될 수 있으며, 디지털 신호로 전송할 때는 부호화기와 복호화기가 사용되고 , 아날로그 신호로 전송할 때에는 변조기와 복조기가 사용
       
• 데이터 인코딩 기법의 종류
  • 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩
    일반적으로 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩하여 전송하는 것으로, 디지털을 아날로그로 변조하는 경우보다 단순하고 비용이 저렴
  • 아날로그 데이터를 디지털 신호로 인코딩
    아날로그 데이터는 표준화 및 부호화를 통해 우선 디지털 데이터로 변환한 후 다시 디지털 신호로 인코딩하여 전송하는 것
  • 디지털 데이터를 아날로그 신호로 인코딩
    광섬유와 같은 비유도 전송 매체는 아날로그 신호만을 전송할 수 있음
  • 아날로그 데이터를 아날로그 신호로 인코딩
    전기적 형태를 갖는 아날로그 데이터는 베이스밴드 신호로서 저비용으로 전송이 가능
  • 예) 음성 신호가 음성급 회선을 통해 전송되는 것 등
     
• 디지털 데이터를 디지털 신호로 인코딩
  • 디지털 신호
    • 불연속적인 전압 펄스 형태로 표현되며, 각 전압 펄스 +12V, 0, -12V 등의 일정한 값을 가지는데, 하나의 전압 펄스를 신호요소(Signal Element)라고 함
    • 디지털 데이터 한 비트를 하나의 디지털 신호 요소로 대응시키며, 디지털 신호 요소는 선로 부호화(Line Coding)기법에 따라 다르게 구현
  • 단극형(Unipolar) / 양극형(Bipolar) 전송 신호
    • 단극형 전송 신호
      디지털 전송 신호 요소로, 지정된 전압이 모두 양(+)이거나 모두 음(-)인 경우
    • 양극형 전송 신호
      디지털 전송 신호 요소로, 지정된 전압이 하나는 양, 하나는 음의 전압으로 표시
  • 전송 신호의 부호 형식
    • NRZ-L(NonReturn-to-Zero Level) 코드
      전압 준위가 데이터 비트를 나타내는 방식
    • NRZI(NonReturn-to-Zero Inverted) 코드
      • 데이터 비트 1에 대해 비트 구간의 시작에서 신호 천이(Transition)가 발생하며, 데이터 비트0에 대해서는 천이가 없음
      • NRZ 방식은 가장 간단한 형태의 선로 부호이나 동일한 비트가 연속적으로 나타나면 직류 성분이 존재하여 동기화 능력이 없는 것이 제약점
    • Bipolar-AMI 코드
      +, 0, - 3개의 신호 레벨을 사용
    • Manchester 코드
      • NRZ의 선로 부호에서 동기화 능력을 부여하기 위해 데이터 비트당 천이 능력을 부여 한 것으로, 데이터 비트 1은 고준위에서 저준위로 천이하며, 데이터 비트 0은 저준위에서 고준위로 천이
      • Manchester 코드는 현재 IEEE 802.3의 CDMA/CD LAN에서 전송 부호로 사용되며, Differential Manchester 코드는 IEEE 802.5의 토큰링 LAN에서 사용
         
• 아날로그 데이터를 디지털 신호로 인코딩
  • 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 과정은 다음 그림과 같이 아날로그 데이터를 표본화(Sampling), 양자화(Quantization) 그리고 부호화(Encoding) 과정을 거쳐 디지털 데이터로 변환하고 전송
    • 양자화[Quantization]
      • 입력 신호를 유한한 개수의 값으로 근사화하는 것으로, 비선형 연산이며, 원래 신호로의 완전한 재생이 불가능
      • 입력 신호에 따라 스칼라 양자화와 벡터 양자화로 나눌 수 있으며, 부호화의 배치에 따라 균일 양자화와 비균일 양자화로 나눌 수 있음
    
  • 표본화(Sampling) 과정
    • 아날로그 신호를 일정한 주기마다 표본화하여 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 펄스로 변환하는 과정으로, 원래 신호가 훼손되지 않도록 표본화 주기에 Shannon의 샘플링 이론을 적용
    • 음성 신호의 경우 사람의 음성은 300 ~ 3400Hz이므로, 이를 2배로 하면 표본화 주파수가 8000Hz, 즉 1초에 8000번 표본화하면 원래의 음성 데이터를 정보 손실 없이 유지할 수 있음
  • 양자화(Quantization) 과정
    • PAM 진폭을 이산적인 값으로 근사화시키는 과정
    • 양자화 잡음이 발생
  • 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 이유
    • 아날로그 신호는 원거리 전송 시 증폭기(Amplifier)를 사용하므로 잡음이 발생하나, 디지털 신호는 리피터(Repeater)를 사용하므로 부가적인 잡음이 발생하지 않음
    • 아날로그 신호에서 사용되는 주파수 분할 다중화(FDM; Frequency Division Multiplexing) 대신 디지털 신호에서는 시분할 다중화(TDM; Time Division Multiplexing)가 사용되어 상호 변조 잡음이 존재하지 않음
    • 디지털 신호로 변환함으로써 강력한 디지털 교환 기법을 사용할 수 있음
         
• 디지털 데이터를 아날로그 신호로 인코딩
  • 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 예로 '디지털 변조'를 들 수 있으며, 디지털 변조는 아날로그 반송파의 진폭, 주파수, 위상 중에 하나 또는 이들을 조합하여 디지털 데이터 비트를 표현
  • 디지털 변조에서 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환시키는 것을 변조(Keying)라 하며, 진폭 편이 변조, 주파수 편이 변조, 위상 편이 변조 3가지 방식이 있음
    • 진폭 편이 변조(ASK; Amplitude-Shift Keying)
    • 주파수 편이 변조(FSK; Frequency-Shift Keying)
    • 위상 편이 변조(PSK; Phase-Shift Keying)
  • QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
    • 반송파의 진폭과 위상을 상호 변화 시키는 방식으로, 하나의 신호 요소를 이용해 복수의 데이터 비트를 표현하는 개념
    • ITU-T V.29 권고안의 9600bps 모뎀은 8개의 위상과 각 위상에 2개의 진폭으로 총 16개의 전송 신호를 지정하여 사용
         
• 아날로그 데이터를 아날로그 신호로 인코딩
  • 아날로그 데이터를 아날로그 신호로 전송하는 경우는 라디오나 TV의 방송 매체에서 주로 사용되며, 컴퓨터 통신에서는 거의 사용되지 않음
  • 아날로그 전송 신호는 전송 매체에 적합한 일정한 주파수를 갖는 반송파를 가지며, 그 반송파에 변조할 정현파 신호를 변조하여 전송하며, 아날로그 데이터를 아날로그 전송 신호에 싣는 것을 변조(Modulation)라고 함
  • 종류로는 진폭변조, 주파수 변조, 위상 변조가 있음
    • 진폭 변조(AM; Amplitude Modulation)
      반송파의 진폭에 아날로그 데이터를 싣는 방법
    • 주파수 변조(FM; Frequency Modulation)
      반송파의 주파수가 입력 아날로그 데이터에 따라 변환
    • 위상 변조(PM; Phase Modulation)
      반송파의 위상이 입력 아날로그 데이터에 의해 변환
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